高雨凡，郭楊，田曉會(huì)，唐修明，張玉鳳

1 南京中醫(yī)藥大學(xué)護(hù)理學(xué)院，南京市，210023

2 南京中醫(yī)藥大學(xué)骨傷研究所，南京市，210023

3 南京中醫(yī)藥大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，南京市，210023

4 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京市，211100

5 南京中醫(yī)藥大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，南京市，210023

0 引言

智慧醫(yī)療（Intelligent Medical Treatment）是當(dāng)今社會(huì)的熱點(diǎn)話(huà)題，現(xiàn)已成為構(gòu)建醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)和管理最優(yōu)化的醫(yī)療體系[1]。它可以提高臨床與管理工作效率，使區(qū)域醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)互通，做到“基層首診、雙向轉(zhuǎn)診、急慢分治、上下聯(lián)動(dòng)”的分級(jí)診療，優(yōu)化醫(yī)療資源，完成“小病在社區(qū)，大病去醫(yī)院，康復(fù)回社區(qū)”的診療模式，從而推進(jìn)健康中國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施[2-3]。

同時(shí)，在健康中國(guó)戰(zhàn)略的推動(dòng)下，康復(fù)事業(yè)蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)有的下肢康復(fù)器械雖具有一定的康復(fù)效果，但仍存在不足，難以在社區(qū)與家庭開(kāi)展。其中，大型下肢康復(fù)器械以懸吊式下肢步行系統(tǒng)為主，其操作流程繁瑣、移動(dòng)不便且價(jià)格昂貴[4]。小型器械如布朗式架、CPM（Continues Passive Motion）機(jī)等，則存在精準(zhǔn)度差、抬高角度靈活性差、運(yùn)動(dòng)頻率難以控制等問(wèn)題[5]。

基于上述下肢康復(fù)器械存在的缺點(diǎn)，在智慧醫(yī)療體系的驅(qū)動(dòng)下，本團(tuán)隊(duì)在已有申請(qǐng)專(zhuān)利且具有確切臨床療效的醫(yī)用可調(diào)式下肢抬高裝置（專(zhuān)利號(hào)ZL201010523123.5）及智能可調(diào)式下肢抬高系統(tǒng)[5-8]（專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01721023322.3）的基礎(chǔ)上，優(yōu)化升級(jí)，研發(fā)基于智慧醫(yī)療下的智能化下肢康復(fù)系統(tǒng)，以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。

1 系統(tǒng)總體框架

整個(gè)智能化下肢康復(fù)系統(tǒng)由用戶(hù)、智能化下肢康復(fù)儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“康復(fù)儀”）、智能客戶(hù)端、數(shù)據(jù)庫(kù)、醫(yī)生讀圖端等幾部分組成，如圖1所示?？祻?fù)儀通過(guò)藍(lán)牙與智能客戶(hù)端相連接，用戶(hù)可通過(guò)智能客戶(hù)端自主設(shè)定參數(shù)，進(jìn)行功能鍛煉。智能客戶(hù)端可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)Internet傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)，醫(yī)生端可通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)方式獲取用戶(hù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行專(zhuān)業(yè)康復(fù)數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)調(diào)整康復(fù)方案。

圖1 系統(tǒng)總體框架示意圖Fig.1 System overall frame diagram

1.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

康復(fù)儀主要由機(jī)架系統(tǒng)、屈髖系統(tǒng)、屈膝系統(tǒng)、轉(zhuǎn)踝系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)組成，如圖2所示。機(jī)架系統(tǒng)與屈髖系統(tǒng)活動(dòng)連接，屈髖系統(tǒng)與屈膝系統(tǒng)固定連接，屈膝系統(tǒng)與轉(zhuǎn)踝系統(tǒng)連接，人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)于機(jī)架系統(tǒng)上。機(jī)械部分主要通過(guò)電源、推桿驅(qū)動(dòng)電源、電動(dòng)推桿等實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。控制部分通過(guò)對(duì)電動(dòng)推桿進(jìn)行控制，配合位置傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)速度、角度和運(yùn)動(dòng)行程控制。

圖2 智能化下肢康復(fù)儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure diagram of intelligent low limb rehabilitation instrument

1.2 軟件構(gòu)建

智能客戶(hù)端是通過(guò)ETL方式或系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集整理數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)，如圖3所示。通過(guò)MySQL等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)提供有效的數(shù)據(jù)管理。在數(shù)據(jù)層采用微服務(wù)設(shè)計(jì)模式，為每一種業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的模塊，為用戶(hù)提供理想的響應(yīng)時(shí)間，建立數(shù)據(jù)分析、康復(fù)方案管理模塊，結(jié)合辨證施護(hù)的思想，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的康復(fù)方案管理。通過(guò)計(jì)算相似度等基本運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)協(xié)同過(guò)濾、基于內(nèi)容推薦等推薦算法，為用戶(hù)提供適宜的知識(shí)推送。

圖3 業(yè)務(wù)處理模式架構(gòu)示意圖Fig.3 Business processing mode architecture diagram

在業(yè)務(wù)層設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)篩選與處理功能，銜接用戶(hù)請(qǐng)求與下層數(shù)據(jù)處理，確定最終向用戶(hù)發(fā)送的數(shù)據(jù)；通過(guò)APP最終向用戶(hù)呈現(xiàn)智能化下肢康復(fù)管理的不同功能模塊。

2 智能客戶(hù)端控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

該系統(tǒng)是基于A(yíng)ndroid開(kāi)發(fā)技術(shù)開(kāi)發(fā)，采用Java語(yǔ)言編寫(xiě)，利用Tomcat作為服務(wù)器，servlet作為處理用戶(hù)請(qǐng)求響應(yīng)的核心，較以前的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)制作技術(shù)有很大的不同，特別是對(duì)采用超文本傳輸協(xié)議（Hypertext Transfer Protocol, HTTP），提高性能，采用三層架構(gòu)搭建的高質(zhì)量、高保證、高安全和高速度的服務(wù)系統(tǒng)。

系統(tǒng)功能模塊由遠(yuǎn)程控制、在線(xiàn)咨詢(xún)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等模塊組成，如圖4所示。Android客戶(hù)端界面由藍(lán)牙掃描控件、智能記憶顯示窗口等組成；醫(yī)師讀圖端由在線(xiàn)答疑模塊窗口、用戶(hù)使用記錄數(shù)據(jù)查看窗口組成。

圖4 系統(tǒng)模塊示意圖Fig.4 System module diagram

2.1 用戶(hù)端設(shè)計(jì)

2.1.1 遠(yuǎn)程控制模塊

此板塊是康復(fù)儀的核心功能，該模塊各功能的實(shí)現(xiàn)均利用Java語(yǔ)言。通過(guò)創(chuàng)建用戶(hù)端Android應(yīng)用程序、服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，儀器內(nèi)置入SIM卡，采用低功耗藍(lán)牙4.0傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)康復(fù)儀的遠(yuǎn)程控制。當(dāng)用戶(hù)使用時(shí)，系統(tǒng)與康復(fù)儀相連，進(jìn)入模塊界面自主設(shè)置治療方案的各個(gè)參數(shù)，如屈髖、屈膝角度及轉(zhuǎn)踝方向和角度，設(shè)置康復(fù)時(shí)間，服務(wù)器通過(guò)調(diào)用相關(guān)模塊發(fā)送相應(yīng)指令，并在接收到響應(yīng)反饋后按照用戶(hù)設(shè)置好的參數(shù)和時(shí)間對(duì)康復(fù)儀作出相應(yīng)的調(diào)整。

2.1.2 知識(shí)推送模塊

此模塊與數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合，交互了解用戶(hù)的康復(fù)情況，建立信息關(guān)聯(lián)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和協(xié)同過(guò)濾算法中的基于項(xiàng)目的協(xié)同算法（Item-based Collaborative Filtering Algorithms），根據(jù)用戶(hù)病情及瀏覽、收藏記錄，精準(zhǔn)分析用戶(hù)喜好，確定用戶(hù)興趣點(diǎn)，向用戶(hù)推薦相關(guān)知識(shí)，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。

2.1.3 信息管理模塊

通過(guò)結(jié)構(gòu)化查詢(xún)語(yǔ)言（Structured Query Language, SQL）基于MySQL等結(jié)構(gòu)化開(kāi)發(fā)平臺(tái)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與管理。將數(shù)據(jù)庫(kù)分設(shè)為管理員模式與普通用戶(hù)模式。用戶(hù)通過(guò)注冊(cè)登錄界面將自己的信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，此后將自己的編號(hào)作為關(guān)鍵字或碼鍵（Key）查詢(xún)自己的康復(fù)方案。管理員依托此模塊，為患者建立個(gè)人康復(fù)信息管理，提供康復(fù)數(shù)據(jù)分析；為醫(yī)生提供康復(fù)資料制定個(gè)性化方案；智能采集數(shù)據(jù)為科研提供數(shù)據(jù)支持。

2.1.4 交流論壇模塊

此模塊利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet of Tings）設(shè)計(jì)建立醫(yī)患之間的康復(fù)交流平臺(tái)。在該模塊，用戶(hù)可提交關(guān)于康復(fù)方面的問(wèn)題，附上相應(yīng)圖片，與醫(yī)護(hù)專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)進(jìn)行線(xiàn)上交流。專(zhuān)家可根據(jù)用戶(hù)提供的內(nèi)容進(jìn)行分析，提供專(zhuān)業(yè)準(zhǔn)確的康復(fù)指導(dǎo)。該模塊的設(shè)計(jì)可減少距離醫(yī)療機(jī)構(gòu)較遠(yuǎn)的用戶(hù)入院排隊(duì)等候及來(lái)往醫(yī)院花費(fèi)的時(shí)間和成本，是建立患者與康復(fù)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期溝通的有效方法。

2.2 醫(yī)師客戶(hù)端設(shè)計(jì)

該模塊基于A(yíng)ndroid平臺(tái)編寫(xiě)醫(yī)師平臺(tái)客戶(hù)端界面，利用Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)socket網(wǎng)絡(luò)編程，創(chuàng)建兩個(gè)客戶(hù)端模塊：在線(xiàn)答疑模塊、用戶(hù)使用記錄數(shù)據(jù)查看模塊；醫(yī)師通過(guò)在線(xiàn)答疑模塊對(duì)患者提出康復(fù)疑問(wèn)進(jìn)行解答，分析用戶(hù)提供的信息以及用戶(hù)使用康復(fù)的記錄，結(jié)合自身的專(zhuān)業(yè)技能為用戶(hù)提供合理的個(gè)性化康復(fù)方案。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊

該模塊由用戶(hù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、康復(fù)儀數(shù)據(jù)庫(kù)、使用記錄數(shù)據(jù)庫(kù)、康復(fù)方案數(shù)據(jù)庫(kù)、康復(fù)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、醫(yī)師信息數(shù)據(jù)庫(kù)以及系統(tǒng)運(yùn)行日志組成，通過(guò)MySQL等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理。

其中用戶(hù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)由用戶(hù)注冊(cè)后提交，用戶(hù)可通過(guò)客戶(hù)端對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行修改或添加?？祻?fù)儀數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)由儀器開(kāi)發(fā)者提供編程人員輸入。使用記錄數(shù)據(jù)庫(kù)用于實(shí)際記錄用戶(hù)對(duì)儀器的使用情況，當(dāng)用戶(hù)或醫(yī)護(hù)人員需要時(shí)，可以通過(guò)醫(yī)師端查看使用記錄數(shù)據(jù)分析表，了解用戶(hù)的具體康復(fù)情況?？祻?fù)方案數(shù)據(jù)庫(kù)由用戶(hù)與專(zhuān)業(yè)康復(fù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行交流后獲得的個(gè)性化康復(fù)方案組成，用戶(hù)進(jìn)入客戶(hù)端后服務(wù)器會(huì)將相應(yīng)的康復(fù)方案發(fā)送到客戶(hù)端，以供用戶(hù)再次進(jìn)行康復(fù)時(shí)使用；康復(fù)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)由后臺(tái)維護(hù)人員進(jìn)行輸入和更新，系統(tǒng)通過(guò)協(xié)同過(guò)濾推薦算法分析用戶(hù)的使用喜好，向用戶(hù)推薦符合用戶(hù)需求的保健知識(shí)，以供用戶(hù)閱讀瀏覽。醫(yī)師信息數(shù)據(jù)庫(kù)由康復(fù)團(tuán)隊(duì)各醫(yī)師的基本信息組成，通過(guò)醫(yī)師端可修改或刪除自己的信息，用戶(hù)可以查看醫(yī)生信息。

3 動(dòng)力元件的選型

根據(jù)康復(fù)儀的總體規(guī)劃，所有的動(dòng)力元件均可以采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的推桿電機(jī)。因此，選擇推桿電機(jī)技術(shù)參數(shù)如下：電機(jī)驅(qū)動(dòng)：永磁式24 VDC直流電機(jī)；最大推/拉力：400 kg/400 kg符合設(shè)計(jì)要求；行程：10 mm；最小安裝尺寸：屈髖、屈膝部分為L(zhǎng)=S（行程）+100 mm（推桿完全收回時(shí)電機(jī)兩端長(zhǎng)度）、轉(zhuǎn)踝部分為L(zhǎng)=S（行程）+190 mm（外加一段輔助推桿）+100 mm（推桿完全收回時(shí)電機(jī)兩端長(zhǎng)度）；空載速度：最大100 mm/s；環(huán)境溫度：-26℃～+84℃；保護(hù)等級(jí)：IP65；低噪音設(shè)計(jì)：噪音等級(jí)低于42 dB；配有線(xiàn)手控板。

4 臨床應(yīng)用情況

南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院骨傷科2017年9月-2018年9月，共34例膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者接受本康復(fù)儀的下肢功能鍛煉，結(jié)果顯示：功能鍛煉2周后患肢腫脹評(píng)分(P＜0.000 1)及VAS評(píng)分(P＜0.000 1)均顯著降低，見(jiàn)表1。

表1 患者抬高患肢鍛煉前后患肢腫脹評(píng)分及VAS評(píng)分比較（n=34, x ± s）Tab.1 Changes of limb swelling score and VAS score with TKA treatment (n=34, x±s)

5 結(jié)論

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用以及智慧醫(yī)療等新技術(shù)的不斷發(fā)展與融合，我國(guó)醫(yī)療體制以及醫(yī)療資源分配越來(lái)越趨于合理化、優(yōu)質(zhì)化。本文結(jié)合當(dāng)下熱點(diǎn)，對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練和智慧醫(yī)療體系進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，采用可穿戴嵌入式設(shè)備、通過(guò)低功耗藍(lán)牙4.0與手機(jī)終端通信，并將收集到的信息實(shí)時(shí)反饋醫(yī)生端，初步研發(fā)此套完整的康復(fù)系統(tǒng)，以滿(mǎn)足家庭、醫(yī)院、康復(fù)科研機(jī)構(gòu)等諸多場(chǎng)所的需求，具有廣闊的市場(chǎng)前景[9]。